Belajar › Konsep dasar

Kebutuhan oksigen dan udara

Rujukan buku: Buku 3, Bab 8

Coba di simulasi →

Unit aerob - biofilter aerob dan bak aerasi lumpur aktif - hanya bekerja bila bakteri mendapat oksigen terus-menerus. Oksigen itu dibawa udara yang ditiupkan kempa udara (blower) melalui difuser di dasar bak. Hitungannya berantai: beban BOD menentukan oksigen, oksigen menentukan udara, dan udara serta kedalaman air menentukan daya listrik. Rangkaian anaerobik (R1, R2, R5) tidak memerlukan hitungan ini.

Rantai hitungan

O2      = f x B_BOD                         (kg O2/hari)
Q_udara = O2 / (0,28 x OTE)                 (m3 udara/hari)
w       = Q_udara / 1440 / 60 x 1,2         (kg udara/detik)
P       = w x R x T / (28,97 x 0,283 x 0,70) x [ ((10,33 + h)/10,33)^0,283 - 1 ]   (kW)

• B_BOD = beban BOD yang masuk ke unit aerob (kg/hari), f = faktor oksigen (kg O2/kg BOD)
• 0,28 = massa oksigen dalam 1 m3 udara (kg O2/m3), OTE = efisiensi transfer oksigen (pecahan)
• 1,2 = massa jenis udara (kg/m3), R = 8,314 kJ/kmol.K, T = suhu air limbah + 273 (K)
• 28,97 = massa molekul udara, 0,283 = eksponen kompresi adiabatik udara, 0,70 = efisiensi blower
• h = tinggi air di atas difuser (m), 10,33 = tekanan atmosfer dalam meter kolom air

Hitungan ini memakai beban BOD yang masuk ke unit aerob, bukan beban BOD mentah. Pada rangkaian dengan pengendap awal, sekitar 30 persen BOD sudah tersisih sebelum sampai ke bak aerob.

Kebutuhan oksigen

Kebutuhan oksigen adalah massa oksigen per hari yang dipakai bakteri untuk menguraikan bahan organik dan bernapas. Bila pasokan kurang, oksigen terlarut turun, bakteri berserabut tumbuh, lumpur sulit mengendap, dan bau muncul. Bila berlebih, hanya listrik yang terbuang.

Aplikasi menghitungnya sebagai faktor oksigen dikali beban BOD masuk:

• Biofilter aerob: 1,20 kg O2/kg BOD
• Bak aerasi (aerasi diperpanjang): 1,50 kg O2/kg BOD, lebih besar karena umur lumpur panjang membuat sebagian lumpur ikut teroksidasi

Faktor ini belum memasukkan oksigen untuk nitrifikasi (penguraian amonia). Bila izin juga membatasi amonia, faktor perlu dinaikkan.

Kalau muncul PERIKSA: nilai ini sendiri tidak diperiksa. Bila faktor dinaikkan, udara dan daya blower naik sebanding; ukuran bak tidak berubah.

Kebutuhan udara

Kebutuhan udara adalah volume udara yang harus ditiupkan agar oksigen yang larut ke air sama dengan kebutuhan oksigen. Hanya sebagian kecil oksigen dalam gelembung yang benar-benar larut; sisanya keluar ke permukaan. Karena itu volume udara jauh lebih besar dari volume oksigen.

Q_udara = O2 / (0,28 x OTE)

Udara terlalu sedikit membuat bagian bak kekurangan oksigen dan media biofilter tersumbat lumpur. Udara terlalu banyak membuat buih, mengikis lapisan bakteri, dan memboroskan listrik. Untuk pemilihan blower, satuan yang dipakai adalah m3/menit.

Kalau muncul PERIKSA: kebutuhan udara sendiri tidak diperiksa. Angka ini turun bila efisiensi transfer oksigen dinaikkan dan naik bila faktor oksigen dinaikkan. Saat memilih blower, ambil kapasitas sedikit di atas angka hitungan dan pasang dua unit (satu kerja, satu cadangan), seperti asumsi aplikasi.

Daya kempa udara (blower)

Daya kempa udara adalah daya yang diperlukan blower untuk menekan udara melawan tekanan kolom air di atas difuser. Makin dalam bak dan makin banyak udara, makin besar daya. Daya inilah yang menjadi biaya listrik harian IPAL aerob, menyala 24 jam.

Aplikasi menghitung daya teoritis kompresi adiabatik dengan efisiensi blower 0,70 dan tekanan hanya dari kedalaman air h. Kehilangan tekan di pipa, katup, dan difuser belum dimasukkan, sehingga daya motor yang dibeli selalu lebih besar dari angka ini. Ambil tekanan kerja dari kedalaman air ditambah kehilangan pipa dan difuser menurut data pabrik.

Kalau muncul PERIKSA: daya tidak diperiksa langsung. Untuk menurunkannya: kurangi tinggi air bak aerob (tekanan turun, tetapi luas naik) atau pakai difuser gelembung halus dengan OTE lebih tinggi. Energi harian = daya x 24 jam (kWh/hari).

Efisiensi transfer oksigen

Coba di simulasi →

Efisiensi transfer oksigen (OTE) adalah bagian oksigen dalam udara tiupan yang benar-benar larut ke air limbah. Nilainya bergantung pada ukuran gelembung (gelembung halus lebih efisien), kedalaman difuser (jalur naik lebih panjang memberi waktu larut lebih lama), dan kondisi air limbah, yang selalu lebih buruk dari air bersih di uji pabrik.

Nilai bawaan di aplikasi (kondisi lapangan, bukan nilai uji air bersih):

• Biofilter aerob: 0,09
• Bak aerasi: 0,10

Menaikkan OTE menurunkan udara dan daya secara berbanding terbalik; terlalu optimistis berarti blower terpasang kekecilan dan bak kekurangan oksigen. Kalau muncul PERIKSA: OTE tidak diperiksa langsung; pakai nilai pabrik difuser yang sudah dikoreksi ke kondisi air limbah, bukan nilai katalog air bersih.

Studi kasus: Griya Asri, R3 dan R4

Pada kedua rangkaian, pengendap awal menurunkan BOD dari 400 mg/L ke 280 mg/L, sehingga beban BOD yang masuk ke unit aerob = 280 x 150,0 / 1000 = 42,0 kg/hari.

R3 - biofilter aerob (biofilter), tinggi air 2,20 m:

1. Oksigen = 1,20 x 42,0 = 50,4 kg O2/hari.
2. Udara = 50,4 / (0,28 x 0,09) = 2.000 m3/hari = 1,39 m3/menit.
3. Daya teoritis pada kedalaman 2,20 m = 0,68 kW; dipasang 2 unit (1 kerja, 1 cadangan).

R4 - bak aerasi (lumpur-aktif), tinggi air 3,00 m:

1. Oksigen = 1,50 x 42,0 = 63,0 kg O2/hari.
2. Udara = 63,0 / (0,28 x 0,10) = 2.250 m3/hari = 1,56 m3/menit.
3. Daya teoritis pada kedalaman 3,00 m = 1,02 kW.

R4 memerlukan lebih banyak oksigen dan bak lebih dalam, sehingga dayanya sekitar 1,5 kali R3. Kepekaan terhadap OTE pada R3: OTE 0,06 memberi 2,08 m3/menit dan 1,02 kW; OTE 0,12 memberi 1,04 m3/menit dan 0,51 kW.

Rujukan

• Buku 3, Bab 8.
• Metcalf & Eddy. Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery (aerasi dan kebutuhan oksigen, daya blower).
• Ten States Standards (Recommended Standards for Wastewater Facilities).